DE102008038810B4

DE102008038810B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Einkristalls aus Halbleitermaterial

Info

Publication number: DE102008038810B4
Application number: DE102008038810A
Authority: DE
Inventors: Dr. Ammon Wilfried von; Ludwig Altmannshofer; Dr. Riemann Helge; Jörg Fischer
Original assignee: Siltronic AG
Current assignee: Siltronic AG
Priority date: 2008-08-13
Filing date: 2008-08-13
Publication date: 2012-03-01
Anticipated expiration: 2028-08-14
Also published as: SG178724A1; US8475592B2; DK177332B1; SG159442A1; US8580033B2; KR20100020898A; DK200900904A; JP5352376B2; TW201006970A; JP2010042988A; US20130192518A1; CN101649485A; TWI415979B; KR101132877B1; CN101649485B; US20100037815A1; DE102008038810A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls aus Halbleitermaterial, umfassend das Schmelzen von Granulat aus Halbleitermaterial mittels einer ersten Induktionsheizspule auf einem Teller mit einem aus dem Halbleitermaterial bestehendem Ablaufrohr, das Bilden einer Schmelze aus geschmolzenem Granulat, die sich vom Ablaufrohr in Form eines Schmelzenhalses und einer Schmelzenkuppe bis zu einer Phasengrenze erstreckt, das Zuführen von Wärme zur Schmelze mittels einer zweiten Induktionsheizspule, die eine Öffnung aufweist, durch die der Schmelzenhals hindurchfährt, und das Kristallisieren der Schmelze an der Phasengrenze, gekennzeichnet durch das Zuführen eines kühlenden Gases zum Ablaufrohr und zum Schmelzenhals, um die axiale Position einer Grenzfläche zwischen dem Ablaufrohr und dem Schmelzenhals derart zu regeln, dass eine obere und eine untere Grenzposition nicht verlassen wird, wobei der Abstand von der Mitte der zweiten Induktionsheizspule zur oberen und unteren Grenzposition nicht mehr als 10 mm beträgt.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls aus Halbleitermaterial, wobei Granulat aus Halbleitermaterial auf einem Teller geschmolzen wird, der ein aus dem Halbleitermaterial bestehendes Ablaufrohr aufweist, und eine Schmelze aus geschmolzenem Granulat gebildet wird, die sich vom Ablaufrohr in Form eines Schmelzenhalses und einer Schmelzenkuppe bis zu einer Phasengrenze erstreckt, und Wärme zur Schmelze mittels einer Induktionsheizspule zugeführt wird, die eine Öffnung aufweist, durch die der Schmelzenhals hindurchfährt, und die Schmelze an der Phasengrenze kristallisiert wird.
Ein solches Verfahren ist beispielsweise in der US 2003145781 A beschrieben. Die JP11-292682 A offenbart ein verwandtes Verfahren, bei dem nur eine Induktionsheizspule verwendet wird. Das Verfahren gemäß US 2003145781 A ermöglicht die Herstellung eines Einkristalls aus Halbleitermaterial mit Granulat als Rohstoff. 4 der US 2003145781 A zeigt eine Vorrichtung, die zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist. Das Granulat wird auf einem Teller geschmolzen, in dessen Mitte sich eine, zu einem Ablaufrohr verlängerte Durchtrittsöffnung befindet. Zum Schmelzen des Granulats dient eine über dem Teller angeordnete erste Induktionsheizspule. Das geschmolzene Granulat bildet zunächst einen Film und im späteren Verlauf des Verfahrens eine Schmelze, die an einer Phasengrenze kristallisiert und dabei das Volumen des wachsenden Einkristalls erhöht. Das kristallisierende Volumen wird durch ein entsprechendes Volumen von neu geschmolzenem Granulat ausgeglichen. Die Schmelze erstreckt sich vorn Ablaufrohr bis zur Phasengrenze, an der der Einkristall wächst. Sie hat im Bereich des Ablaufrohres die Form eines Schmelzenhalses, der durch die Öffnung einer zweiten Induktionsheizspule hindurchfährt und in eine breitere Schmelzenkuppe übergeht, die auf dem wachsenden Einkristall liegt. Mit Hilfe der zweiten Induktionsheizspule wird der Schmelze Wärme zugeführt, um das Wachstum des Einkristalls zu kontrollieren.
Da das Ablaufrohr aus dem Halbleitermaterial besteht, kann es durch die zweite Induktionsheizspule zum Schmelzen gebracht werden, wenn der Energieeintrag entsprechend hoch ist. Umgekehrt kann das Ablaufrohr nach unten wachsen, wenn die von der zweiten Induktionsheizspule bereitgestellte Energie nicht ausreicht, um die Schmelze im Bereich des Ablaufrohrs flüssig zu halten. Die Position der Grenzfläche zwischen dem Ablaufrohr und der Schmelze darf sich jedoch nicht beliebig weit axial, das heißt nach oben oder nach unten, verlagern. Wandert die Grenzfläche zu weit nach oben, weil das Ablaufrohr angeschmolzen wird, erhöht sich das Volumen des Schmelzenhalses und es besteht die Gefahr, dass die Schmelze die zweite Induktionsheizspule berührt oder der Schmelzenhals überdehnt wird und abreißt. Wandert die Grenzfläche zu weit nach unten, weil das Ablaufrohr in diese Richtung wächst, besteht die Gefahr, dass das Ablaufrohr zufriert und den Schmelzenfluss stoppt. Beide Ereignisse dürfen nicht eintreten, weil sie ein weiteres Wachsen des Einkristalls unterbinden.
Es bestand daher die Aufgabe, das Verfahren so zu modifizieren, dass eine wirksamere Regelung der axialen Position der Grenzfläche möglich ist.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls aus Halbleitermaterial, umfassend das Schmelzen von Granulat aus Halbleitermaterial mittels einer ersten Induktionsheizspule auf einem Teller mit einem aus dem Halbleitermaterial bestehendem Ablaufrohr, das Bilden einer Schmelze aus geschmolzenem Granulat, die sich vom Ablaufrohr in Form eines Schmelzenhalses und einer Schmelzenkuppe bis zu einer Phasengrenze erstreckt, das Zuführen von Wärme zur Schmelze mittels einer zweiten Induktionsheizspule, die eine Öffnung aufweist, durch die der Schmelzenhals hindurchfährt, und das Kristallisieren der Schmelze an der Phasengrenze, das gekennzeichnet ist durch das Zuführen eines kühlenden Gases zum Ablaufrohr und zum Schmelzenhals, um die axiale Position einer Grenzfläche zwischen dem Ablaufrohr und dem Schmelzenhals derart zu regeln, dass eine obere und eine untere Grenzposition nicht verlassen wird, wobei der Abstand von der Mitte der zweiten Induktionsheizspule zur oberen und unteren Grenzposition nicht mehr als 10 mm beträgt.
Des Weitern wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Herstellung eines Einkristalls aus Halbleitermaterial gelöst, die folgende Merkmale umfasst: einen Teller zur Aufnahme von Granulat aus Halbleitermaterial, wobei der Teller in seinem Zentrum eine Öffnung aufweist, die zu einem, aus dem Halbleitermaterial bestehendem Ablaufrohr verlängert ist;
eine erste Induktionsheizspule zum Schmelzen des Granulate auf dem Teller;
eine zweite Induktionsheizspule zum Übertragen von Energie auf eine vom geschmolzenen Granulat gebildete Schmelze, wobei die zweite Induktionsheizspule in ihrem Zentrum eine Durchtrittsöffnung für die Schmelze aufweist; und
eine Einrichtung zum Regeln der axialen Position einer Grenzfläche zwischen dem Ablaufrohr und einem Schmelzenhals derart, dass eine obere und eine untere Grenzposition nicht verlassen wird, wobei der Abstand von der Mitte der zweiten Induktionsheizspule zur oberen und unteren Grenzposition nicht mehr als 10 mm beträgt, und wobei die Einrichtung eine Kamera zum Erkennen der axialen Position der Grenzfläche, einen Regler und eine Düse zum Zuführen eines kühlenden Gases zum Ablaufrohr und zum Schmelzenhals umfasst, die zu einem Regelkreis verbunden sind.
1 zeigt eine Vorrichtung, die zur Durchführung des Verfahrens besonders geeignet ist.
Granulat 13 wird aus einem Trichter 14 auf einem drehbaren Teller 9 geschmolzen, in dessen Mitte sich eine, zu einem Ablaufrohr 11 verlängerte Durchtrittsöffnung befindet. Zum Schmelzen des Granulats 13 dient eine über dem Teller angeordnete erste Induktionsheizspule. Die erste Induktionsheizspule ist vorzugsweise so ausgebildet, dass Hochfrequenz-Strom, der über Spulenanschlüsse 5 eingespeist wird, im Wesentlichen durch einen Spulenkörper 1 und Segmente 2 fließt. Die Segmente sind an ihrem unteren Ende durch einen dünnen Steg 3 miteinander elektrisch leitend verbunden. Der Spulenkörper 1 weist radial gerichtete Stromführungsschlitze auf, die einen Stromfluss auf einer mäanderförmigen Bahn durch den Spulenkörper erzwingen. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass alle Bereiche der Oberfläche des Tellers gleichermaßen vom elektromagnetischen Feld erfasst werden. Der Spulenkörper 1 besitzt in einem äußeren Bereich mindestens eine Durchtrittsöffnung 6 zum Zuführen des Granulats 13 aus Halbleitermaterial auf den sich drehenden Teller 9. Die erste Induktionsheizspule ist ferner mit einem Kühlsystem ausgestattet, das Kühlkanäle 7 im Spulenkörper 1 umfasst, durch die ein Kühlmittel, beispielsweise Wasser, strömt. Um auch eine intensive Kühlung der Segmente 2 zu erhalten, sind die Kühlkanäle an die Segmente herangeführt und über eine Rohrbrücke 8 miteinander verbunden. Die Rohrbrücke reicht im Zentrum der oberen Seite des Spulenkörpers 1 bis an die Segmente 2 heran und ist an diese beispielsweise gelötet oder aufgeschweißt. Die Rohrbrücke 8 ist einfach oder mehrfach gewunden, so dass sie eine ausreichend hohe Induktivität besitzt. Der Hochfrequenz-Strom fließt deshalb im Wesentlichen über den Steg 3, der die Segmente 2 verbindet, und nicht über die Rohrbrücke 8. Durch den Stromfluss ist die Feldliniendichte im Bereich des Stegs besonders hoch und die induktive Beheizung des Teils der Schmelze, der bei der Herstellung des Einkristalls 10 dem Steg 3 unmittelbar gegenüberliegt, besonders wirksam. Auf der Schmelze und dem Steg liegt vorzugsweise dasselbe elektrische Potential an, besonders bevorzugt Masse-Potential.
Der Teller 9 besteht aus demselben Halbleitermaterial wie das Granulat 13 und ist vorzugsweise in einer Art ausgeführt, wie der Behälter, der in der DE 102 04 178 A1 beschrieben ist und deren Inhalt hiermit ausdrücklich einbezogen wird. Er kann aber auch als einfache flache Platte mit zentralem Ablaufrohr ausgeführt sein.
Das geschmolzene Granulat bildet im Verlauf des Verfahrens eine Schmelze, die einen geschlossenen Film 12, einen Schmelzenhals 18 und eine Schmelzenkuppe 16 unterteilt werden kann. Die Schmelze kristallisiert an einer Phasengrenze 4 und erhöht dabei das Volumen des wachsenden Einkristalls 10. Das kristallisierende Volumen wird durch ein entsprechendes Volumen von neu geschmolzenem Granulat ausgeglichen. Der Schmelzenhals 18 erstreckt sich vom unteren Ende des Ablaufrohres 11 bis zur Schmelzenkuppe 16 und führt durch die Öffnung einer zweiten Induktionsheizspule 15 hindurch. Die im Vergleich zum Schmelzenhals breitere Schmelzenkuppe 16 liegt auf dem wachsenden Einkristall 10. Mit Hilfe der zweiten Induktionsheizspule 15 wird der Schmelze Wärme zugeführt, um das Wachstum des Einkristalls 10 zu kontrollieren. Ein Schild 19, der vorzugsweise aus einer aktiv gekühlten Metallplatte besteht, ist zwischen den Induktionsheizspulen angeordnet, um sie voneinander elektromagnetisch abzuschirmen. Darüber hinaus kühlt der Schild 19 den Boden des Tellers 9.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine Einrichtung vorgesehen, die eine geregelte Zufuhr eines kühlenden Gases zum Ablaufrohr 11 und zum Schmelzenhals 18 im Bereich einer Grenzfläche 17 zwischen dem Ablaufrohr und dem Schmelzenhals ermöglicht. In der dargestellten Ausführungsform umfasst die Einrichtung eine Düse 20, durch die das kühlende Gas, vorzugsweise Argon, von der Seite zum Ablaufrohr 11 und zum Schmelzenhals 18 geführt wird. Die Düse 20 ist vorzugsweise in die zweite Induktionsheizspule integriert. Sie kann aber auch im oder am Schild 19 untergebracht sein. Des Weiteren umfasst die Einrichtung eine Kamera 21 zur optischen Erkennung der axialen Lage der Grenzfläche 17 und einen Regler 22 zur Versorgung der Düse mit dem kühlenden Gas. Die Kamera, die Düse und der Regler sind zu einem Regelkreis verbunden. Die axiale Position der Grenzfläche wird von der Kamera am ausgeprägten Unterschied der Helligkeit des Ablaufrohrs und der Schmelze erkannt. Der Regler, vorzugsweise ein PID-Regler (Kombination aus Proportional-, Integral- und Differenzialregler) regelt den Volumenstrom des Gases durch die Düse in Abhängigkeit der festgestellten Lage der Grenzfläche 17. Wandert die Grenzfläche 17 über eine tolerierte obere Grenzposition nach oben, erhöht der Regler den Volumenstrom, so dass wegen der verstärkten Kühlwirkung schmelzflüssiges Halbleitermaterial am Ende des Ablaufrohres erstarrt und das Ablaufrohr verlängert. Das Ergebnis ist eine Verlagerung der Grenzfläche 17 nach unten. Wandert die Grenzfläche 17 unter eine tolerierte untere Grenzposition nach unten, vermindert der Regler den Volumenstrom, so dass wegen der verringerten Kühlwirkung das Ablaufrohr an seinem unteren Ende geschmolzen wird. Das Ergebnis ist eine Verlagerung der Grenzfläche nach oben.
Der Abstand von der Mitte der zweiten Induktionsheizspule 15 zur oberen und unteren Grenzposition beträgt nicht mehr als 10 mm, besonders bevorzugt nicht mehr als 5 mm. Die axiale Position der Grenzfläche 17 wird also derart geregelt, dass die Grenzfläche 17 vorzugsweise innerhalb eines Bereiches mit einer axialen Länge von weniger als 20 mm, besonders bevorzugt 10 mm bleibt.
Die Regelung kann unterstützt werden, indem die zweite Induktionsheizspule 15 zur Seite verschoben wird, so dass der Schmelzenhals 18 nicht mehr axialsymmetrisch zur Drehachse des Tellers und des Einkristalls durch die Öffnung der zweiten Induktionsheizspule führt. Diese Maßnahme ist insbesondere in der Phase von Vorteil, in der der Durchmesser des Einkristalls zu einem Enddurchmesser erweitert wird. Je näher die zweite Induktionsheizspule an den Schmelzenhals heranreicht, umso stärker ist der integrale Energieeintrag, das heißt der Betrag an Energie, die dem Schmelzenhals insgesamt zugeführt wird. Bei Annähern der zweiten Induktionsheizspule an den Schmelzenhals kommt ein zusätzlicher Energieeintrag zustande, obwohl sich beim seitlichen Verschieben der Induktionsheizspule der Abstand zu einer Seite des Schmelzenhalses verringert, gleichzeitig aber auch zur gegenüberliegenden Seite des Schmelzenhalses vergrößert. Das seitliche Verschieben der zweiten Induktionsheizspule aus einer Position, in der der Schmelzenhals axialsymmetrisch durch die Öffnung der Spule führt, zum Schmelzenhals hin hat also qualitativ die gleiche Wirkung wie eine Verringerung des Volumenstroms des kühlenden Gases durch die Düse.
Beispiel:
Um den Erfolg der Erfindung zu demonstrieren, wurden mehrere Einkristalle aus Silicium mit Durchmessern von 70 mm, 105 mm und 150 mm in einer Vorrichtung gemäß 1 hergestellt.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls aus Halbleitermaterial, umfassend das Schmelzen von Granulat aus Halbleitermaterial mittels einer ersten Induktionsheizspule auf einem Teller mit einem aus dem Halbleitermaterial bestehendem Ablaufrohr, das Bilden einer Schmelze aus geschmolzenem Granulat, die sich vom Ablaufrohr in Form eines Schmelzenhalses und einer Schmelzenkuppe bis zu einer Phasengrenze erstreckt, das Zuführen von Wärme zur Schmelze mittels einer zweiten Induktionsheizspule, die eine Öffnung aufweist, durch die der Schmelzenhals hindurchfährt, und das Kristallisieren der Schmelze an der Phasengrenze, gekennzeichnet durch das Zuführen eines kühlenden Gases zum Ablaufrohr und zum Schmelzenhals, um die axiale Position einer Grenzfläche zwischen dem Ablaufrohr und dem Schmelzenhals derart zu regeln, dass eine obere und eine untere Grenzposition nicht verlassen wird, wobei der Abstand von der Mitte der zweiten Induktionsheizspule zur oberen und unteren Grenzposition nicht mehr als 10 mm beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Position der Grenzfläche durch Verschieben der zweiten Induktionsheizspule hin zum Schmelzenhals verändert wird.
Vorrichtung zur Herstellung eines Einkristalls aus Halbleitermaterial, umfassend einen Teller zur Aufnahme von Granulat aus Halbleitermaterial, wobei der Teller in seinem Zentrum eine Öffnung aufweist, die zu einem, aus dem Halbleitermaterial bestehenden Ablaufrohr verlängert ist; eine erste Induktionsheizspule zum Schmelzen des Granulats auf dem Teller; eine zweite Induktionsheizspule zum Übertragen von Energie auf eine vom geschmolzenen Granulat gebildete Schmelze, wobei die zweite Induktionsheizspule in ihrem Zentrum eine Durchtrittsöffnung für die Schmelze aufweist; und eine Einrichtung zum Regeln der axialen Position einer Grenzfläche zwischen dem Ablaufrohr und einem Schmelzenhals derart, dass eine obere und eine untere Grenzposition nicht verlassen wird, wobei der Abstand von der Mitte der zweiten Induktionsheizspule zur oberen und unteren Grenzposition nicht mehr als 10 mm beträgt, und wobei die Einrichtung eine Kamera zum Erkennen der axialen Position der Grenzfläche, einen Regler und eine Düse zum Zuführen eines kühlenden Gases zum Ablaufrohr und zum Schmelzenhals umfasst, die zu einem Regelkreis verbunden sind.